武汉理工大学无机非金属专业研究生入学考试.docx

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武汉理工大学无机非金属专业研究生入学考试

武汉理工大学

武汉理工大学2011年研究生入学考试试题

课程名称  材料科学基础

一、（30分）立方ZnS是立方晶系，根据其晶胞图（图1）回答下列问题：

1、画出ZnS晶胞在（001）面上的投影图；在晶胞图上画出（111）晶面和[111]晶向（建立坐标系）；

2、何种离子做何种密堆积？

晶胞中有哪几种空隙，空隙利用率分别是多少？

何种离子填何种空隙？

3、晶胞分子数是多少？

结构中各离子的配位数为多少，写出其配位多面体；

4、结构中S2-电价是否饱和，为什么？

5、对于大多数晶体来说，结合力的性质是属于综合性的，请指出Zn-S键的键性并说明原因；

6、像立方ZnS这类晶体（质点的堆积可以近似地认为是刚性球体的堆积，服从最紧密堆积原理），如何揭示、理解晶体的微观结构及其与晶体性质的关系？

图1  立方ZnS晶胞结构              图2  成核速率和生长速率与过冷度的关系

二、（10分）图2为晶体的成核速率和生长速率与过冷度的关系，请根据图解释玻璃形成的动力学条件。

并针对成核速率u解释u-T之间的关系，说明为何会有极值的出现。

三、（15分）比较PbF2，PbI2和CaF2的表面能大小，当用Ca2+和F-依次置换PbI2中的Pb2+和I-离子时，相应的表面能和硬度及表面双电层的厚度该如何变化，为什么？

四、（10分）在A－B二元系中，组元A具有体心立方结构，熔点为1000℃；组元B具有面心立方结构，熔点为800℃。

在500℃存在一个恒温转变：

设室温下A、B二个组元互不溶解，试回答：

1、绘出概略的相图。

2、指出SA（B）、SB（A）固溶体的晶体结构类型。

五、（25分）根据图3所示A－B－C三元系统投影图回答下列问题：

1、指出化合物S的性质。

2、用箭头标出各界线的温度下降方向及性质。

3、指出各无变量点的性质，并写出其平衡关系。

4、分析熔体M在平衡条件下的冷却结晶过程（用路径图表示）。

5、图中哪个组成的三元混合物熔点最低？

并用线段比表示出其组成。

图3 A－B－C三元系统相图

六、（15分）试讨论从室温到熔融温度范围内，氯化锌添加剂（10-6mol%）对NaCl单晶中所有离子（Na和Cl）扩散能力的影响。

在什么温度范围内Na的本征扩散占优势？

（NaCl的Schttky缺陷形成能E=2.3eV）

七、（10分）已知铜的熔点Tm＝1083℃，熔化热△H＝1628J/cm3，固液界面能γ＝1.77×10－5J/cm2，铜为面心立方晶体，点阵常数a＝0.3615nm。

1、当液态金属铜过冷至853℃进行均态形核时，求临界晶核半径和每个临界晶核的原子数（设晶核为球形）。

2、若为非均态形核，求临界球冠的原子数。

（设形成球冠的高度为h＝0.2R，球冠体积

，R为球冠半径）

八、（10分）实践证明，少量添加物常会明显地改变烧结速度，其中原因之一可能是因为添加物与烧结物形成固溶体。

为什么与烧结物能生成固溶体的添加物能促进烧结？

在Al2O3烧结中，通常加入少量TiO2或Cr2O3促进烧结。

当加入TiO2时，烧结温度可以更低。

请解释原因（用缺陷方程来表示）。

九、（15分）MgO和Al2O3反应制备MgAl2O4时，预先在界面上埋入标志物然后让其进行反应。

已知

nm，

nm。

1、如果反应是由Mg2+和Al3+互扩散进行的，而氧离子不发生迁移，标志物的位置将如何变化？

2、当只有Al3+向MgO扩散时，情况又如何？

3、假设热力学条件允许，在哪些情况下标志物将向MgO移动？

（至少答出一种）

十、（10分）对于MX型离子晶体（大球为X离子，1价），由于热起伏可能产生如图4所示的 2  种缺陷，请指出这2种缺陷分别是何种缺陷，各自的特征是什么？

写出缺陷反应方程式。

（a）                                   （b）

图4  热缺陷产生示意图

武汉理工大学

武汉理工大学2010年研究生入学考试试题

课程名称  材料科学基础

一、基本概念（30分）

空间利用率和空隙填充率；位错滑移和位错爬移；玻璃网络形成体和玻璃网络外体；穿晶断裂和蠕变断裂；应力腐蚀和晶间腐蚀；初次在结晶和二次在结晶；均态核化和非均态核化；矿化剂。

二、作图题（10分）

1. 在面心立方晶胞中标示出质点以ABCABC。

。

。

规律重复的堆积方式。

（5分）

2.画出面心立方晶胞中质点在（111）晶面上的投影图。

（5分）

三、绿宝石Be3Al2[Si6O18]上半个晶胞在（0001）面上的投影图如图1所示，整个晶胞的结构按照标高50处的镜面经反映即可得到。

根据图1回答下列问题：

（20分）

1.绿宝石的硅氧比为多少？

硅氧四面体组成的是什么结构？

（4分）

2.Be和Al分别与周边什么标高的几个氧配位？

构成的配位多面体是什么？

它们之间又是如何连接的？

（8分）

3.用Pauling的连接规则说明标高65的氧电价是否平衡？

（4分）

4.根据结构说明绿宝石热膨胀系数不高、当半径小的Na+存在时，在直流电场下具有显著离子电导的原因。

（4分）

图1  绿宝石晶胞

四、A-B-C三元系统相图如图1所示。

根据相图回答下列问题：

（25分）

1.在图上划分副三角形、用剪头表示界线上温度下降方向方向及界线的性质；（8分）

2.判断化合物S1S2的性质；（2分）

3.写出各三元无变量点的性质及其对应的平衡关系式；（5分）

4.写出熔体1、2在完全平衡冷却下的冷却结晶过程；（10分）

第4题图

五、假设自组成为18Na2O10CaO72SiO2（wt%）和8Na2O4CaO88SiO2（wt%）两种熔体中，均态成核析出石英相。

（15分）

1.设形成晶核为球形，两者相变时除去界面能外单位体积自由焓ΔGv的变化相同，请推导熔体结晶时的核化势垒和临界晶核半径；（5分）

2.考虑到两熔体组成及表面张力的差异，试比较两者的临界晶核半径的大小并解释其原因；（5分）

3.假设新相的晶核形成后，新相长大的速率均取决于溶质原子在熔体中的扩散，在外界条件均相同的情况下，试比较两种熔体石英相的长大速率，并解释其原因；（5分）

六、晶体结构缺陷（15分）

1.CaO形成肖特基缺陷，写出其缺陷反应方程式，并计算单位晶胞CaO的肖特基缺陷数（已知CaO的密度是3.0克/厘米3，其晶格参数是0.481nm）；（4分）

2.CsCl溶入MgCl2中形成空位固溶体，并写出固溶体的化学式；（3分）

3.Al2O3掺入到MgO中，写出二个合理的方程，并判断可能成立的方程是哪一个？

写出其固溶体的化学式；（5分）

4.根据2和3总结杂质缺陷形成规律。

（3分）

七、根据玻璃的形成条件，对SiO2、K2OSiO2、 K2O2SiO2三种物质形成玻璃的难易程度、热膨胀系数、电导率和熔融温度的大小进行排序，并说明理由。

（15分）

八、选做题：

下列3题中任选1题（20分）

1.试简要说明原始粉料的粒度、物料活性、添加物、气氛、压力等因素对烧结的影响规律。

2.已知Al2O3和SiO2粉末形成莫来石反应由扩散控制，实验在恒定温度下进行，当反应进行1小时的时候，测知已有15%的反应物起了反应。

（1）分别用杨德方程、金斯特林格方程计算完全反应的时间。

（2）试判断哪个结果更接近实际情况？

为什么？

（3）若要加速莫来石的生产可以采取什么有利措施？

至少举出一种措施。

3.金属表面的渗碳属于恒定源扩散，其浓度分布曲线为                             。

已知碳在800度时扩散进入钢表面一下0.1厘米深度出需要10小时。

已知碳原子在面心立方铁中的扩散活化能为137522J/mol。

（1）如果希望在5小时内达到同样的深度，该渗碳过程应在多少温度下进行？

（2）现希望在钢表面以下0.2厘米深度处具有相同的碳原子浓度，有人建议在相同的热处理温度下延长时间至20小时，这种方法可行吗？

为什么？

（3）如果热处理时间保持10小时不变，你还能提出什么措施达到与

（2）同样的目的？

具体该如何进行？

武汉理工大学2009年研究生入学考试试题

课程名称  材料科学基础

一、填空题（30分）

1.硅酸盐晶体按化学式中硅氧比的不同，或按结构中基本结构单元（  ）的不同，可以对其结构进行分类，结构方式有（  ）等五种方式，Kai2[AlSi3O10]（OH）2属于（）类型。

2.小角度晶界是相邻两晶粒的位相差（  ）的晶界，它可分为（  ）和扭转晶界两种基本类型，前者是由（）位错构成的，后者是又螺位错构成的。

3.硅酸盐熔体中各种聚合程度的聚合物浓度受（）和（）的影响。

玻璃体由熔融态向玻璃态转化的过程是（  ），在一定温度范围完成，无固定熔点。

4.液体的比表面自由能与表面张力（  ）是一致的，而对于固体来说，由于固体的表面自由能中包含了（  ），表面张力在数值上不等以表面自由能。

5.相平衡主要研究多相系统的（  ）与（  ）之间的变化规律，研究凝聚系统相平衡的主要方法有（  ）和（  ）。

6.扩散是物质内质点运动的基本方式，扩散的本质是（  ），扩散的基本推动力是（  ），负扩散是指（  ）。

7.从热力学观点，相变可分为（  ）、（  ）等，前者如熔体结晶等，后者如（  ）。

8.固态反应一般包括（  ）和（  ）两个过程。

由于固体质点间具有很大的作用键力，故固态物质的反应活性（  ），速度慢。

9.烧结的推动力是系统的表面能降低，它可以通过扩散传质、（  ）、（  ）、（  ）等四种方式推动物质的迁移。

10.金属腐蚀可分为（  ）和（  ）两大类；高分子材料在加工、储存和使用过程中，由于外界因素的综合作用，其物理化学性质和机械性能逐渐变坏，已至最后丧失使用价值，这称为（  ）。

二、简要回答下列问题（20分）

1.高分子链结构分为近程结构和远程结构，他们各自包含哪些内容？

（5分）

2.纯金属凝固时，均态核化和非均态核化的形核功大小是否一致？

一般情况下两者哪个大？

为什么？

（5分）

3.为什么在成核-生长机理相变中，要有一点过冷或过热才能发生相变？

什么情况下需要过冷，什么情况下需要过热？

（5分）

4.简述杨德方程的优点和局限性。

（5分）

三、作图题

1.作图表示立方晶系的晶体中

晶面和

晶向（标出坐标系）。

（5分）

2.已知钙钛矿晶体结构属于立方晶系，其中钛离子位于晶胞体心位置、钙离子位于晶胞顶点位置、氧离子位于晶胞面心位置，请构造钙钛矿结构的晶胞。

（5分）

四、参见滑石、蒙脱石、白云母的结构图，回答下列问题（20分）

1.说明为什么这些矿物易在垂直c轴方向解理？

（5分）

2.为什么滑石粉末有滑腻感而白云母粉末没有？

（5分）

3.解释为什么蒙脱石易吸水，而滑石比较不易吸水？

（5分）

4.用电价规则说明Al3+置换骨架中的Si4+时，通常不超过一半，否则将使结构不稳定。

（5分）

滑石                          蒙脱石                         白云母

五、如图A-B-C三元系统相图，根据相图回答下列问题（20分）

1.在相图上划分副三角形，用箭头表示各条界线上温度下降的方向及界线的性质；

2.判断化合物S的性质；

3.写出各三元无变量点的性质及其对应的相平衡关系式；

4.写出组成点M在平衡条件下的冷却结晶过程，结晶结束时各相的百分含量（用线段比表示）。

六、根据金红石（TiO2）晶胞图回答下列问题（30分）

1.结构中何种离子作密堆积，何种离子填空隙，空隙利用率是多少？

写出正、负离子的配位多面体。

（8分）

2.晶胞分子数是多少？

（2分）

3.在什么样的气氛下烧结，才能获得TiO2-x，写出反应方程式；TiO2-x是半导体，实际生产中如何控制其电导率，为什么？

（10分）

4.在Al2O3烧结中，加入少量的TiO2可以明显降低烧结温度，促进烧结，请用缺陷理论分析其原因。

（10分）

七、选做题：

下列4题任选其中2题（20分）

1.试述玻璃转变与结构调整速率、冷却速率的相互关系。

2.烧结基于颗粒间的接触和键和、以及物理的传递完成的，那么颗粒间是怎样键和的？

以扩散传质为例，说明烧结的基本推动力是表面张力。

3.金属或合金材料的实际断裂强度往往远低于其理论强度，原因是什么？

举例说明金属材料强化的机理。

4.Al2O3陶瓷为什么易于发生脆性断裂？

举例说明其强化的机理。

武汉理工大学2008年研究生入学考试试题

课程名称  材料科学基础

一、填空题（每空1分，共20分）

1.等径球面心立方结构的单位晶胞中分子数是（  ），配位数是（  ）。

2.形成弗仑克尔缺陷时，其特征是（  ）和（  ）成对出现。

3.固溶体是在固态条件下，一种物质以原子尺寸（  ）在另一种基体中所形成的单相均匀的（  ）。

4.Fick扩散第一定律的一维表达式为（  ），是一个（  ）表达式。

5.重构表面是指在（  ）质点间距不同于晶体内部的表面，形成重构表面会导致晶体的（  ）增加。

6.材料或构件在（  ）作用下发生的破坏称为疲劳破坏或疲劳失效，柑橘疲劳周次大小分为（  ）和（  ）。

7.烧结的中后期，正常晶粒长大的推动力为（  ），它是指（  ）。

8.不同的固态反应在反应机理上可能相差很大，但都包含（  ）和（  ）这两个基本的过程。

9.从熔融态向玻璃态的转化取决于（  ）速率和（  ）。

10.螺位错的柏氏矢量与位错呈（  ）关系。

二、晶体结构分析（20分）

1.根据纤锌矿（六方ZnS）结构图回答下列问题（12分）：

（1）指出结构中正负离子的堆积方式；

（2）写出正负离子的配位数及配位多面体；

（3）分别计算立方柱晶胞和平行六面体晶胞的晶胞分子数；

（4）纤锌矿结构为何具有热释电性？

2.简述硅酸盐晶体结构的基本特点（8分）。

三、晶体结构缺陷（20分）

1.将CaO中掺入到ZrO2中，请写出二个可能的方程，并写出对应的固溶体化学式。

（12分2.对于MgO、Al2O3和Cr2O3，其正、负离子的半径分别为0.47、0.36和0.40，则Al2O3和Cr2O3形成连续固溶体。

（8分）

（1）这个结果可能吗，为什么？

（2）试预计，MgO-Cr2O3系统中的固溶度是有限的还是无限的，为什么？

四、1.已知CaF2的表面能和硬度均大于PbI2，请判断CaF2 、PbI2表面双电层的厚度的大小，为什么会产生上述现象。

（8分）

2.在真真空下的氧化铝表面张力约为0.9J/m2，液态铁的表面张力为1.72J/m2，同样条件下的表面张力（液态铁-氧化铝）约为2.3J/m2，液态铁能否润湿氧化铝？

（7分）

五、分析熔体Na2O2SiO2、Na2OSiO2、2Na2OSiO2的粘度以及表面张力的大小，并比较其形成玻璃的能力。

（20分）

六、假设液-固相变中晶核为球形。

（10分）

1.写出均态形核时的能量方程，推导相变势垒ΔGr*和临界晶核半径r*表达式。

2.证明相变势垒ΔGr*和临界晶核体积Vc之间的关系为：

（试中ΔGv为单位体积液-固两相自由能差）

七、烧结MgO时加入少量FeO，在氢气氛和氧分压低时都不能促进烧结，只有在氧分压高的气氛下才促进烧结。

试分析其原因。

（10分）

八、已知碳在面心立方铁中的扩散活化能为Qc=140*103J/mol，镍在面心立方铁中的扩散活化能为QNi=283*103J/mol，据此判断碳和镍在面心立方铁中的扩散系数大小，说明原因。

（10分）

九、根据A-B-C三元系统相图回答下列问题（25分）

1.在相图上划分副三角形，用箭头表示各条界线上温度下降的方向及界线的性质；

2.判断化合物D、F的性质；

3.写出各三元无变量点的性质及其对应的相平衡关系式；

4.写出组成点R在平衡条件下的冷却结晶过程；

5.用线段比表示R点结晶结束时各相的百分含量。

武汉理工大学2007年研究生入学考试试题

课程名称  材料科学基础

一、（30分）解释下列基本概念

同质多晶、重建型转变、热释电效应、位错的爬移、大角度晶界、网络形成体、表面化学力、凝聚系统、稳定扩散、非扩散型相变、矿化剂、晶粒长大、广义材料腐蚀、蠕变、铁弹性效应

二、（20分）镁铝尖晶石MgAl2O4晶体结构中，氧离子作面心立方堆积，结构中A块和B块的质点配置见图。

1.A块、B块主要反映的是哪种离子的配位情况？

写出其配位多面体和配位数；（4分）

2.指出结构中氧离子的配位数和配位多面体，并判断其电价是否饱和；（4分）

3.若尖晶石的晶胞分子数为8，且A块、B块在空间交替出现，请构造尖晶石的单位晶胞；（4分）

4.计算结构中空隙填充率；

5.分析该结构是正尖晶石还是反尖晶石。

（4分）

三、（20分）

1.硅酸盐晶体滑石的化学式为Mg3[Si4O10]（OH）2，判断其结构类型，用氧化物写法表征滑石的分子式，分析其结晶习性。

2.在钠硅酸盐玻璃中，分析Na2O对熔体粘度的影响，并说明理由。

3.为什么相同组成的固体的表面能总是高于液体的表面能？

四、（20分）

1、CaO形成肖特基缺陷，写出其缺陷反应方程式，并计算单位晶胞CaO的肖特基缺陷数（CaO的密度是3.2克/厘米3，晶格参数是0.481nm，分子量56）；

2.CsCl溶入MgCl2中形成空位型固溶体，写出固溶体的化学式；

3.Al2O3掺入到MgO中，请写出二个合理的方程及其固溶体的化学式。

五、（10分）已知Mg2+、Al3+和O2-在尖晶石MgAl2O4中的自扩散系数与温度的关系分别为

1.       试求出1282K时Mg2+、Al3+和O2-在尖晶石MgAl2O4中的扩散系数。

2.       若在此温度下，O2-基本不动，哪种离子控制着MgAl2O4的生成，为什么？

六、（10分）铜的熔点Tm=1385K，在过冷度ΔT=0.3Tm时，通过均相成核得到晶体铜，计算该温度下的临界核坯半径及临界核坯原子数。

（M=63.54，密度=9.0克/厘米3，ΔH=1628J/mol，γ=1.77*10-5J/cm3<，设铜为面心立方晶体，a=0.3615nm）

七、（10分）烧结过程中，初次再结晶、晶粒长大和二次再结晶的推动力分别是什么？

假设某氧化物的烧结初期满足以下动力学关系，即

为了提高烧结初期的线收缩率，有人建议将原料的粒度降低一半，有人建议将烧结时间延长一倍，你认为哪一种方法更有效，为什么？

八、（10分）粒径为1μ球状Al2O3由过量的MgO微粒包围，观察尖晶石的形成，在恒定温度下，第1小时有20%的Al2O3起了反应，计算完全反应的时间。

1.用杨德方程计算；

2.用金斯特林格方程计算；

3.比较以上两个结果并分析产生差异的原因。

九、（20分）如图为Na2O-CaO-SiO2系统部分相图，根据此三元系统相图解答下列问题：

1.判断化合物NC3S6 NCS5 N3S8 NS的性质；（4分）

2.用箭头表示未标注温度变化的相区界线的温度变化方向及界线性质；（4分）

3.写出三元无变量点Q P H的平衡过程及性质；（4分）

4.用规范化写法写出1点对应组份的平衡结晶过程。

（8分）

武汉理工大学2006年研究生入学考试试题

课程材料科学基础

（共3页，共十题，答题时不必抄题，标明题目序号，相图不必重画,直接做在试卷上）

一、填空题（1.5×20=30分）

     1.结晶学晶胞是（）。

     2.扩散的基本推动力是（），一般情况下以（）形式表现出来，扩散常伴随着物质的（）。

     3.晶面族是指（）的一组晶面，同一晶面族中，不同晶面的（）。

     4.向MgO、沸石、TiO2、萤石中，加入同样的外来杂质原子，可以预料形成间隙型固溶体的固溶度大小的顺序将是（）。

     5.根据烧结时有无液相出现，烧结可分为（），在烧结的中后期，与烧结同时进行的过程是（）。

     6.依据硅酸盐晶体化学式中（）不同，硅酸盐晶体结构类型主要有（）。

     7.液体表面能和表面张力数值相等、量纲相同，而固体则不同，这种说法是（）的，因为（）。

     8.二级相变是指（），发生二级相变时，体系的（）发生突变。

     9.驰豫表面是指（），NaCl单晶的表面属于是（）。

    10.固态反应包括（），化学动力学范围是指（）。

    11．从熔体结构角度，估计a长石、b辉石（MgO·SiO2）、c镁橄榄石三种矿物的高温熔体表面张力大小顺序（）。

二、CaTiO3结构中，已知钛离子、钙离子和氧离子半径分别为 

0.068nm，

 0.099nm，

0.132nm。

（15分）

    1.晶胞中心的钛离子是否会在八面体空隙中“晃动”；

    2.计算TiCaO3的晶格常数；

    3.钛酸钙晶体是否存在自发极化现象，为什么？

三、在还原气氛中烧结含有TiO2的陶瓷时，会得到灰黑色的TiO2-x：

（15分）

   1．写出产生TiO2-x的反应式；

   2．随还原气氛分压的变化，该陶瓷材料的电导率和密度如何变化？

   3．从化学的观点解释该陶瓷材料为什么是一种n型半导体。

四、选择题：

下列2题任选1题（12分）

    1.简述金属材料、无机非金属材料以及高分析材料腐蚀的特点。

    2.试述材料疲劳失效的含义及特点。

五、现有三种陶瓷材料，它们的主要使用性能如下：

（15分）

材料

最佳性能

用途

Y2O3

透明，光线传递

光学激光杆

Si3N4

高温强度，抗蠕变

燃气轮机部件

含Co铁氧体

较顽力

高能量永久磁铁

    在烧结过程中希望材料获得预期的显微结构以使材料最佳性能充分发挥，在控制显微结构因素和工艺条件上应主要考虑哪些相关因素？

六、熔体结晶时：

（1）图示核化速率-温度、晶化速率-温度关系及其对总结晶速率的的影响；

（2）核化速率与晶化速率的不同对新相的显微结构有何影响，为什么？

                （3）指出在哪一温度范围内对形成玻璃有利，为什么？

（12分）

七、X射线给出立方MgO的晶胞参数是0.4211nm，它的密度是3.6g/cm3。

（Mg2+和O2-、Al3+摩尔质量分别是24.3和16、27）（12分）

    1．求单位晶胞中有多少Mg2+和O2-；

    2．若有0.05molAl2O3溶解于晶格中，计算密度改变百分数是多少？

八、当反应物通过产物层的扩散控制速率时，由NiO和Cr2O3的球形颗粒形成NiCr2O4晶体，假定NiO颗粒包围着Cr2O3 颗粒，反应符合杨德动力学规律。

（15